บทที่ 7 สถานะแก๊ส (the gaseous state)
Post on 03-Jan-2016
128 Views
Preview:
DESCRIPTION
TRANSCRIPT
บทท�� บทท�� 7 7
สถานะแก๊ ส สถานะแก๊ ส (The Gaseous State)(The Gaseous State)
ภาควิ�ชาเคมี� คณะวิ�ทยาศาสตร์�มีหาวิ�ทยาลั�ยเทคโนโลัย�มีหานคร์
สถานะของสารมี� 3 สถานะ ของแข�ง โมีเลกุ�ลชิ�ดกุ�น
ของเหลว โมีเลกุ�ลไมี�ติ�ดกุ�นแน�นเคล��อนที่��ผ่�านกุ�นได" แกุ#ส โมีเลกุ�ลแยกุห�างกุ�น เคล��อนที่��อ�สระIonic compounds
ปกุติ�ไมี�เป&นแกุ#สเพราะ cation และ anion ย(ดติ�ดกุ�นด"วย electrostatic force
Molecular compounds ปกุติ�เป&นของแข�ง ของเหลว มี�บางชิน�ดเป&นแกุ#ส เชิ�น
HF HBr CO NO2
NH3
SO2
HCN HCl HI CO
2N2 O NO H2 SCH4
Molecular element ที่��เป&นแกุ#สH2
N2
O2
F2
Cl2
He Ne Ar Kr Xe Rn
ลั�ก๊ษณะเฉพาะของแก๊ ส (Characteristic of Gases) Expansion ขยายเติ�มีภาชินะบรรจุ�
Indefinite shape ร,ปร�างไมี�แน�นอน ข(-นอย,�กุ�บภาชินะบรรจุ� Compressibilityกุารอ�ดได"
Mixing ผ่สมีกุ�นที่��วภาชินะบรรจุ�Low density ความีหนาแน�นติ.�า 11000( / เที่�าของของเหลว ของแข�ง)
อ�ณหภ,มี�และความีด�นมีาติรฐาน (Standard Temperature and Pressure, STP)
สภาวะบรรยากุาศปกุติ�ของแกุ#สโดยมี�อ�ณหภ,มี�เที่�ากุ�บ 0C และ ควิามีดั�น 1 บร์ร์ยาก๊าศ
ความีด�น (Pressure, P)
ความีด�นมีาติรฐาน (standard atmospheric pressure) ที่��ระด�บน.-าที่ะเล 0C)
มี�ค�า = 1 atm (atmosphere) หร�อ= 760 mmHg (760 torr) หร�อ= 1013 105 Pa (Pascal–SI unit) หร�อ= 1013. bar
อ�ณหภ,มี� (Temperature, T)
องศาเซลเซ�ยส (C) อ�ณหภ,มี�ส�มีบ,รณ3 (absolute temperature) หร�อ อ�ณหภ,มี�เคลว�น (Kelvin temperature, K)
K = C 273+
ปร�มีาติร (Volume, V)
1 L = 1 dm3
= 1000 cm3
= 1000 mL
กุฎของแกุ#ส (The Gas Laws)
Boyle’s law : (P - V): ปร�มีาติรของแกุ#สปร�มีาณแน�นอน ณ อ�ณหภ,มี�คงที่�� จุะเป&นปฏิ�ภาคผ่กุผ่�นกุ�บความีด�น
ที่��อ�ณหภ,มี�คงที่�� (T) P1 α V (ถ"า P เพ��มี V ลด)
ถ"า mass คงที่�� PV = k
P1V1 = P2V2
Charles’ and Gay-Lussac's law : (T – V): ปร�มีาติรของแกุ#สที่��มี�ปร�มีาณ แน�นอนภายใติ"ความีด�นคงที่��จุะเป&นส�ดส�วนโดยติรงกุ�บอ�ณหภ,มี�ส�มีบ,รณ3 ของแกุ#สน�-น
ที่�� P คงที่�� : ( T เพ��มี V เพ��มี) V T
ถ"า mass คงที่�� kTV
2T2V
1T1V
T = absolute temperature (K)T = C 273
Avogadro’s law : (V - mass): ที่��อ�ณหภ,มี�และความีด�นคงที่��ปร�มีาติรของแกุ#ส จุะเป&นปฏิ�ภาคโดยติรงกุ�บจุ.านวนโมีลของแกุ#สน�-น
n = จุ.านวนโมีล
V = kn ( n เพ��มี V เพ��มี) ที่�� T และ P เด�ยวกุ�น แกุ#สชิน�ดติ�างๆ มี�ปร�มีาติรเที่�ากุ�น ถ"ามี�จุ.านวนโมีล เที่�ากุ�น (หร�อมี�จุ.านวนโมีเลกุ�ลเที่�ากุ�น)
ที่�� STP แกุ#สสมีบ,รณ3 1mole มี�ปร�มีาติร 224 ล�ติร (L)
3H2 (g) + N2 (g) 2 NH3 (g) 3 moles 1 mole
2moles 3 โมีเลกุ�ล 1โมีเลกุ�ล 2 โมีเลกุ�ล
3 volumes 1 volume 2 volumes
V n
สมีก๊าร์ของแก๊ สสมีบ&ร์ณ�แบบ (Ideal gas equation)
จุากุความีส�มีพ�นธ์3
P1 α V
V TV n
รวมีกุ�น P
nT α V
PV nT
PV = nRT
ใชิ"อธ์�บายความีส�มีพ�นธ์3ระหว�าง P, V, n, T ของ ideal gas
จุ.าให"ได"
แกุ#สสมีบ,รณ3แบบ (Ideal gas)
โมีเลกุ�ลไมี�ด(งด,ด / ผ่ล�กุกุ�น ไมี�ค�ดปร�มีาติรของแกุ#สเอง ค�ดเฉพาะของภาชินะ
ค�าคงที่��ของแกุ#ส (gas constant, R)
ค.านวณจุากุ standard condition (STP)
P = 1 atm n = 1 moleV = 22.4 L T = 0C = 273 K
จุากุ PV = nRT
K) mol)(273 (1
L) atm)(22.4 (1
nT
PV R
= 0.082 L.atm/K.mol
= 8.314 J/K.mol ถ'าค(า n คงท�� R = gas constant
จุากุ PV = nRT เข�ยนใหมี�ได"ว�า
2
22
1
11
T
VP
T
VP
ส,ติรน�-กุ�ส.าค�ญ
จุ.าไปใชิ"ได"ติลอด
ติ�วอย�างที่�� 1 ฟองอากุาศฟองหน(�งเคล��อนข(-นจุากุกุ"นที่ะเลสาบซ(�งมี�อ�ณหภ,มี�และความีด�นเที่�ากุ�บ 8 C และ 64. atm ติามีล.าด�บ ข(-นมีาย�งผ่�วน.-าซ(�งมี�อ�ณหภ,มี� 25 C
และความีด�น 1.0 atm จุงค.านวณปร�มีาติรส�ดที่"ายของฟองอากุาศถ"ามี�ปร�มีาติร เร��มีติ"น 2.1 mL
ว�ธ์�ที่.า สภาวะเร��มีติ"น สภาวะส�ดที่"ายP1 = 6.4 atm P1 = 1.0 atmV1 = 2.1 mL V1 = ? mLT1 = 8 + 273 = 281 K T1 = 25 + 273 = 298 K
2
22
1
11
T
VP
T
VP
(1.0atm)V(6.4atm)(2.1mL) 2= (281K) (298K)
V2
= 14.25 mL
ฟองอากุาศมี�ปร�มีาติรเพ��มีข(-นจุากุ 21. mL เป&น 1425 mL เน��องจุากุ
ความีด�นลดลงและอ�ณหภ,มี�ส,งข(-น
ก๊าร์ค)านวิณควิามีหนาแน(น (Density Calculations)
จุากุ PV = nRT m mRT
PV = RT; V = M MP
md =
Vจุากุความีหนาแน�น (density)แที่นค�า V จุากุสมีกุารข"างบน
mn =
M;
MPd =
RTdRT
M = P
M = Molar mass (g/mol) (or Molecular weight)
ใชิ"ระบ�ชิน�ดของสาร unknown ซ(�งปกุติ�จุะค.านวณจุากุส,ติรโมีเลกุ�ล
2 ส,ติรน�-ติ"องจุ.า
ติ�วอย�างที่�� 2 จุงค.านวณความีหนาแน�น (d) ของแกุ#สชิน�ดหน(�งซ(�งมี�มีวลโมีเลกุ�ล 170 g/mol ที่�� 1200mmHg และที่��อ�ณหภ,มี� 35C ในหน�วยกุร�มีติ�อล�ติร (g/L)
P = 1200 mmHg = 1200 mmHg / 760 (mmHg/atm) = 1.58 atm T = 35C ; T = 35 + 273 K = 308 K
M = 170 g/mol MPd =
RT(1.58 atm)(170 g/mol)
= (0.082 L•atm/K•mol)(308K)
R = 0.082 Latm/Kmol
= 10.64 g/L
ด�งน�-น แกุ#สชิน�ดน�-มี�ความีหนาแน�น = 1064. g/L
ติ�วอย�างที่�� 3 กุ.าหนดแกุ#ส CH4
มี�หน�กุ 0116. กุร�มี ที่��สภาวะด�งน�- V = 279 mL, T = 31C, P = 492 mmHg จุงหา molar mass (Molecular weight) V = 279 mL = 0.279 LT = 31C ; T = 31 + 273; K = 304 KP = 492 mmHg = 492 mmHg / 760 (mmHg/atm) = 0. 647 atm
m 0.116 gd = = = 0.4158 g/L
V 0.279 Lจุากุ
(0.4158 g/L)(0.082 L atm/K mol)(304K)M =
0.647atm
g/mol
= 16.02 g/molเมี��อค�ดมีวลโมีเลกุ�ลของ CH4 จุากุ มีวลอะติอมี = 12.00 + (4 1.00)
= 16.00 amu หร�อ= 16.00 g/mol
ปร์�มีาณส�มีพ�นธ์�ของแก๊ ส (Stoichiometry of gas)
ปฏิ�กุ�ร�ยาเคมี� มีวลสารส�มีพ�นธ์3 : จุ.านวนโมีล , มีวลสาร (g) กุรณ�แกุ#ส มีวลสารส�มีพ�นธ์3 : จุ.านวนโมีล , ปร�มีาติร (V) ติ�วอย�างที่�� 4 จุงค.านวณปร�มีาติร (L) ที่�� STP ของ O
2 ที่��ติ"องใชิ"ในกุารเผ่าไหมี"
แกุ#ส acetylene (C2 H2 ) จุ.านวน 2.64 L ที่�� STP อย�างสมีบ,รณ3จุากุสมีกุารกุารเผ่าไหมี"ของแกุ#ส acetylene
2C2 H2 (g) + 5O2 (g) 4CO2 (g) + 2H2 O (l)
ที่�� STP ที่�-งแกุ#ส C2 H 2 และ O2
จุะมี� T และ P เด�ยวกุ�นจุากุสมีกุาร C2 H 2 2 โมีล จุะที่.าปฏิ�กุ�ร�ยากุ�บ O
2 5 โมีล
หร�อ C2 H2
2 ล�ติร จุะที่.าปฏิ�กุ�ร�ยากุ�บ O2
5 ล�ติร ถ"า C2 H
2 264. ล�ติร จุะที่.าปฏิ�กุ�ร�ยากุ�บ O2 = 5 L×2.64 L
= 6.60 L2 L
ติ�วอย�างที่�� 5 จุงค.านวณปร�มีาติร (L) ที่�� STP ของ CO2
เมี��อใชิ"สาร CaCO3
หน�กุ 45 gที่.าปฏิ�กุ�ร�ยาด�งสมีกุาร CaCO3 (s) + 2HCl(aq) CaCl2 (aq) + H2 O + CO2 (g)(Ca = 40, C = 12, O = 16)
จุากุสมีกุาร CaCO3
1 โมีล จุะเกุ�ด CO2
1 โมีลหร�อ CaCO
3 100 g จุะเกุ�ด CO
2 224. ล�ติร
ถ"า CaCO 3 45 g จุะเกุ�ด CO2
22.4 L×45.0 g= = 10.1 L
100.0 g
ติ�วอย�างที่�� 6 ขวดใบหน(�งมี�ปร�มีาติร 0.85 L บรรจุ�แกุ#ส CO2
ที่��ความีด�น 1.44 atm และอ�ณหภ,มี� 312 K เมี��อเติ�มีสารละลาย LiOH ลงไปในขวดน�-พบว�าในที่��ส�ดความีด�นของ CO
2 ลดลงเหล�อ 0.56 atm เน,�องจาก๊ CO
2 บางส(วินถ&ก๊ใช'ไปในปฏิ�ก๊�ร์�ยา
ในกุระบวนกุารน�-มี� Li2 CO 3 เกุ�ดข(-นกุ��กุร�มี โดยอ�ณหภ,มี�คงที่�� (Li = 7, C = 12,O = 16, H = 1)
CO2 (g) + 2LiOH(aq) Li2 CO3 (aq) + H2 O(l)
CO 2 มี� P ลดลง - = 1.44 0.56 = 0.88 atm
หาจุ.านวนโมีล (n) ของ CO 2 ที่��เข"าที่.าปฏิ�กุ�ร�ยาจุากุ PV = nRT
PV (0.88 atm)(0.85 L)
n = = = 0.0292 molRT (0.082 L atm/K mol)(312 K)
จุากุสมีกุาร CO2 1 mole ได" Li2 CO 3 1 mole
ถ"า CO2 00292 mole จุะได" Li2 CO
3 00292. mole เชิ�นกุ�น
ด�งน�-น ในกุระบวนกุารน�-มี� Li2 CO3 เกุ�ดข(-น = 00292 74 2 16= . g
ก๊ฎควิามีดั�นย(อยของดัอลัต�น (Dalton’s law of partial pressures)
แกุ#ส A B C อย,�รวมีกุ�นในภาชินะเด�ยวเป&นแกุ#สผ่สมี
PT = PA + PB + PC
ในที่.านองเด�ยวกุ�น nT = nA + nB + nC
AA
T A B C
A
A B C
A
A B C
AA
T
RTnP V =
P P +P +P
RTn
V = RT RT RT
n n nV V Vn
= n n n
n = = X
n
เมี��อ XA ค�อ เศษส�วนโมีล (mole fraction)
PA = XA PT PB = XB PT PC = XC PT
ความีด�นย�อย = mole fraction ความีด�นรวมี
AA T
T
nP = P
n
ติ�วอย�างที่�� 7 อากุาศ (air) ประกุอบด"วย N2 = 078. mole; O2 =021. mole และ Ar = 001. mole โดยมี�ความีด�นรวมี (PT ) 1.0 atm จุงหา 2 2N O ArP , P , P
จุากุ nT = 078 021 001 100. + . + . = . mole และ PA = XA PT
2
2
N
O
Ar
0.78P = (1.00 atm) = 0.78 atm
1.000.21
P = (1.00 atm) = 0.21 atm1.000.01
P = (1.00 atm) = 0.01 atm1.00
ด�งน�-น
น�าสนใจุ
ทฤษฎ�จลัน�โมีเลัก๊3ลัของแก๊ ส (Kinetic molecular theory of gases) อธ์�บายสมีบ�ติ�ที่างกุายภาพของแกุ#ส กุารเคล��อนไหวของโมีเลกุ�ลแกุ#ส
1 .อย,�ห�างกุ�นมีากุ จุนไมี�ค.าน(งถ(งปร�มีาติรโมีเลกุ�ล2. เคล��อนที่��ติลอดเวลา ชินกุ�นเอง + ชินผ่น�ง 3. เมี��อชินกุ�น มี�กุารถ�ายเที่พล�งงานระหว�างโมีเลกุ�ลโดยที่�� E ที่�-งหมีดคงที่�� 4. พล�งงานจุลน3เฉล��ยของโมีเลกุ�ล
212K.E. = mu; m = มีวล, 2u= mean squre speed
2 2 22 1 2 N...
N
u u uu
N = จุ.านวนโมีเลกุ�ลที่�-งหมีด , K.E. T (ข(-นกุ�บอ�ณหภ,มี�)
อน�ภาคอ�สระ ถ�อว�าไมี�มี�แรงผ่ล�กุ / ด,ด ระหว�างโมีเลกุ�ล เคล��อนที่��ติลอดเวลา ไมี�มี�ที่�ศที่างแน�นอน เมี��อชินผ่น�ง = ความีด�นแกุ#ส
5. โมีเลกุ�ลแกุ#ส
ก๊าร์แจก๊แจงอ�ตร์าเร์4วิของโมีเลัก๊3ลั (Distribution of molecular speeds) กุารกุระจุาย / จุ.าแนกุ ความีเร�วของโมีเลกุ�ลแกุ#ส กุารเคล��อนที่��มี�ที่�ศที่างไมี�แน�นอน speed ไมี�เที่�ากุ�น K.E. เฉล��ย และ คงที่��ถ"า T คงที่�� speed แติ�ละโมีเลกุ�ลค.านวณไมี�ได" แติ� ค.านวณ speed ของโมีเลกุ�ลหลายติ�ว 1 ชิ�ด ) ได"เร�ยกุว�า “ Distribution of molecular speeds ” หร�อ “ Maxwell speed distribution ” โดยใชิ"กุารว�เคราะห3เชิ�งสถ�ติ�
จุากุร,ป T > 2 T1 พ�-นที่��ใติ" curve เที่�ากุ�น T 2 มี� molecule ที่��มี� speed ส,งมีากุกุว�า T 1
ความีส�มีพ�นธ์3ระหว�าง Kinetic molecular theory กุ�บ P, V 21
3PV = nMuM= Molar mass (kg/mol)และ PV = nRT
213 nM = nRTu
2 3RT =
Mu
rms
3RT =
Mu หน�วย m/s ; R = 8. 314 J/K.mol
Urms (root-mean-square speed) อ�ติราเร�วรากุเฉล��ยกุ.าล�งสอง = รากุที่��สอง ของค�าเฉล��ยของอ�ติราเร�วกุ.าล�งสอง
จุ.าไปด"วย
ติ�วอย�างที่�� 8 จุงหา urms ของอะติอมี He และโมีเลกุ�ลของ N2
ในหน�วย m/s ที่��อ�ณหภ,มี� 25C
จุากุ rms
3RT =
Mu ; T = 25 + 273 K = 298 K
ส.าหร�บ He มีวลติ�อโมีล (M) ของ He ค�อ 4 g/mol = 4 10-3 kg/mol
rms -3
3(8.314 J/Kgmol)(298 K) =
4×10 kg/molu
6rms = 1.86×10 J/kgu (1 J = 1 kg m2 / s2)
6 2 2rms = 1.86×10 kg m /kg su
= 1,363 m/s
ส.าหร�บ N2
มีวลติ�อโมีล (M) ของ N2
= 2 14 g/mol = 2.8 10-3 kg/mol
rms -3
3(8.314 J/Kgmol)(298 K) =
28×10 kg/molu
5rms = 2.65×10 J/kgu
5 2 2rms = 2.65×10 kg m /kg su
= 515 m/s
หมีายเหติ� จุะพบว�าค�า urms จุะลดลง เมี��อค�า M เพ��มีข(-น
ข"อส�งเกุติ เน��องจุากุฮี�เล�ยมีอะติอมีมี�มีวลน"อยกุว�าโดยเฉล��ยแล"วจุ(งเคล��อนได"เร�วกุว�า โมีเลกุ�ลของไนโติรเจุนประมีาณ 265. เที่�า 1363( , ÷ 515 265= . )
วิ�ถ�อ�สร์ะเฉลั��ย (Mean free path)
โมีเลกุ�ลของแกุ#สเคล��อนที่��ไมี�มี�ที่�ศที่าง (path) แน�นอน เพราะ path เปล��ยน ที่�กุคร�-งที่��ชินกุ�น mean free path ค�อ ระยะที่างเฉล��ยในกุารเคล��อนที่��ของโมีเลกุ�ลแกุ#ส ระหว�างกุารชินแติ�ละคร�-งแปรผ่กุผ่�นกุ�บความีหนาแน�น (d) หมีายความีว�า ถ"าความีหนาแน�นมีากุ mean free path น"อย
Graham’s law of Diffusion ก๊าร์แพร์( (Diffusion) กุารเคล��อนที่��อย�างชิ"าๆ ของโมีเลกุ�ลแกุ#สจุากุบร�เวณที่��มี�ความีเข"มีข"นมีากุไปหาน"อยจุนเที่�ากุ�น
ถ"า P, T เด�ยวกุ�นอ�ติรากุารแพร� 11
1r =
M
1 2
2 1
r M =
r M
ถ"า P, T เด�ยวกุ�น K.E. เที่�ากุ�น; 2 21 11 1 2 22 2m = mu u
1
2
2
22
1
m =
m
u
u
1 2
2 1
( ) m =
( ) mrms
rms
u
u
Graham’s law of Effusion
ก๊าร์แพร์(ผ่(าน (Effusion) : กุารแพร�ผ่�าน แกุ#สเคล��อนที่��ผ่�านร,เล�กุๆ จุากุความีด�น (P)ส,งไปหา P ติ.�า แกุ#สที่��เบากุว�า ออกุไปได"เร�วกุว�าแกุ#สหน�กุ
อ�ติรากุารแพร�ผ่�าน 1
1r α
m และ 1r α
t
1 2 1
2 1 2
t r m = =
t r m
ติ�วอย�างที่�� 9 จุงเปร�ยบเที่�ยบอ�ติรากุารแพร�ผ่�านของฮี�เล�ยมีและไนโติรเจุน ที่��อ�ณหภ,มี�และความีด�นเด�ยวกุ�น (มีวลอะติอมีของ He = 4, N = 14)
2
2
NHe
N He
mr =
r m
2
He
N
r 28 g/mol =
r 4 g/mol
= 2.65 หมีายความีว�า ฮี�เล�ยมีจุะแพร�ผ่�านไปได"เร�วเป&น 265. เที่�าของไนโติรเจุน
กุารเบ��ยงเบนจุากุ ideal (โมีเลกุ�ลไมี�มี�แรงผ่ล�กุ / ด,ดกุ�น) ก๊าร์เบ��ยงเบนจาก๊พฤต�ก๊ร์ร์มีสมีบ&ร์ณ�แบบ (Deviation from Ideal behavior)
1. พ�จุารณาจุากุร,ป
ถ"า T คงที่��PV = nRTกุราฟ
PVRTติ�อ P ควรเป&นเส"นติรง(ideal gas )
เน��องจุากุ PVRT = 1 ที่�กุๆ ค�า ของ P
(ถ"า n = 1 mole ; PV = RT PVRT
= 1 แติ� real gas ไมี�ใชิ� โดยเฉพาะที่�� P มีากุๆ)
2. ถ"าลดอ�ณหภ,มี� (T) ของแกุ#สลง พบว�ากุลายเป&นของแข�ง/ของเหลว แสดงว�าโมีเลกุ�ลมี�แรงด(งด,ดกุ�น จุ(งติ"องด�ดแปลงสมีกุารของ Van der Waals ใหมี� โดยค�ดว�า real gas มี�ปร�มีาติร และมี�แรงด(งด,ดระหว�างโมีเลกุ�ล
2
ideal real 2
anP = P +
V
effectiveV = V-nb
จุากุ PV = nRT แปลงได"เป&น
2
2
anP+ V-nb = nRT
V
ตาร์างแสดังค(าคงท��แวินเดัอร์�วิาลัส�ของแก๊ สบางชน�ดั
แกุ#ส a(atm.L2 /
mol2)
b(L/mol)
He 00.34
0.0
2
3
7
Ne 02.11
0.0
1
7
1
Ar 13.4
0.0
3
2
2
Kr 23.2
0.0
3
9
8
Xe 41.9
0.0
2
6
6
H202.44
0.0
2
6
6
N213.9
0.0
3
9
1
O213.6
0.0
3
1
8
Cl264.9
0.0
5
6
2
H2
O54.6
0.0
3
0
5
top related